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Kapitel 1 Einleitung In diesem Grundkurs u ¨ ber Physik, der die vormals getrennten Vorlesungen ”Experimentalphysik” und ”Theoretische Physik” integriert, wollen wir Sie mit grundlegenden physikalischen Ph¨anomenen vertraut machen und gleichzeitig die theoretischen Methoden zur Beschreibung und zum Verst¨andnis dieser Ph¨anomene entwickeln. Wir werden dabei mit so grundlegenden Begriffen wie ”Raum” und ”Zeit” beginnen und uns dann im Detail der ”Mechanik” widmen, der Lehre von der Bewegung und der Verformung von K¨orpern unter dem Einfluss unterschiedlicher Kr¨afte.

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Raum, Zeit und Koordinatensysteme

sind Begriffe, die Ihnen aus ihrem t¨aglichen Leben wohlvertraut sind. Sie k¨onnen sich auf der Erdoberfl¨ache ohne große Schwierigkeiten in den zwei Dimensionen bewegen, und wenn gleich mit etwas gr¨oßerem Aufwand - auch nach ”oben” oder ”unten”. Der Raum in unserem t¨aglichen Leben hat also 3 Dimensionen. Einem ganz bestimmten Ort im Raum werden Sie im allgemeinen durch Koordinaten angeben, z. B. ”T¨ ubingen, Auf der Morgenstelle, Geb¨aude D, Raum P40”. Diese Koordinatenangabe ist zugegebenermaßen etwas kryptisch. Sie brauchen wahrscheinlich einige ¨ Ubung, um mit dieser Angabe den damit angegebenen Ort tats¨achlich zu finden. Wir werden daher in diesem Kurs Koordinatensysteme verwenden, die etwas durchschaubarer sind als das eben genannte Beispiel. Bleibt noch die ”Zeit” zu erw¨ahnen. Sie ”verstreicht”, bietet Ihnen aber keine M¨oglichkeit, sich darin aktiv vor- oder zur¨ uckzubewegen. Auch f¨ ur die Zeit verwenden Sie Koordinaten - etwa die Uhrzeit - um einen bestimmten Zeitpunkt zu kennzeichnen. Wir k¨onnen an dieser Stelle ”Raum” und ”Zeit” nicht wesentlich pr¨aziser fassen. Was wir aber tun k¨onnen, ist uns mit der Art und Weise besch¨aftigen, mit denen wir L¨angen und Zeiten bestimmen. Beginnen wir mit den L¨angen. Um die L¨ange eines Gegenstands oder auch den Abstand eines Gegenstands von einem anderen zu bestimmen ben¨otigen wir zun¨achst eine ”Einheitsl¨ ange”. Wir wollen dann L¨angen und Abst¨ande in Bruchteilen oder auch Vielfachen dieser Einheit angeben. 1

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KAPITEL 1. EINLEITUNG

Das Einheitensystem, auf das man sich international geeinigt hat, ist das SI-System (Syst´eme Internationale). In diesem System werden L¨ angen in Meter ausgedr¨ uckt. Es sei hier aber gleich darauf hingewiesen, dass noch eine ganze Reihe weiterer Einheitensysteme in Gebrauch sind. So werden beispielsweise L¨angen manchmal in ”Zoll”, ”Fuß”, ”Meilen” oder auch ”Angstr¨om” angegeben. Besondes erw¨ahnenswert ist das ”cgs-System”. Dieses wird in der Physik h¨aufig verwendet. Es gibt L¨angen in Zentimeter (”c”), Massen in Gramm (”g”) und die Zeit in Sekunden (”s”) an. Weitere cgs-Einheiten werden wir im Verlauf dieses Kurses angeben. Bleiben wir aber zun¨achst bei der Definition ”1 Meter”. 1 Meter war bis Ende des 18. Jh. als der 10−7 -te Teil des (ungenau gemessenen) Meridianquadrants (d. h. der Entfer¨ nung Aquator-Pol) festgelegt. Auf der Basis dieser Definition benutzte man sp¨ater das Urmeter, einen beim Bureau International des Poids et Mesure in S`evres bei einer Temperatur1 von 0◦ C aufbewahrten Pt-Ir-Stab. Die Abb. 1.1 zeigt ein Bild dieses Stabs, sowie des Bureau International des Poids et Mesure.

Abbildung 1.1: Das ”Urmeter” (links) im ”Bureau International des Poids et Mesures” in S`evres (rechts) Mit wachsenden Anforderungen an die Messgenauigkeit wurde das Urmeter durch eine Definition ersetzt, die auf der Wellenl¨ange des roten Lichts basiert, das Cadmium-Atome aussenden k¨onnen. Demnach war 1 Meter ab 1927 das 1553164.13-fache dieser Wellenl¨ange. 1960 wurde das von Krypton-Atomen ausgesandte Licht als Definition verwendet; pr¨azise war 1 Meter definiert als das 1650763.73-fache der Vakuumwellenl¨ange des orangefarbe¨ nen Lichts beim Ubergang 5d5 → 2p10 des Isotopes 86 Kr.2 Seit 1983 basiert die Definition des Meters auf der Geschwindigkeit c des Lichts im Vakuum. Diese Geschwindigkeit ist 1

Gegenst¨ ande dehnen sich i.